Nature液態金屬印刷柔性電子在透明顯示器應用的前景

2021-01-15 3xmaker合越智能

Nature液態金屬印刷柔性電子在透明顯示器應用的前景

透明導電氧化物（TCO）由於其獨特的電子帶結構而具有很高的應用價值，這使得它們具有高導電性和透明性。當前，TCO廣泛應用於液晶顯示器、有機發光二極體（LED）、觸摸感應屏中的透明電極、光電器件、太陽能電池、電致變色窗口等領域。其中，氧化銦錫是已在工業上使用了幾十年的主要TCO，但是它通常是使用基於真空的物理氣相沉積技術來製備的，該技術依賴於真空技術和批處理，成本很高且產物薄膜易碎。

近期發表在Nature Electronics雜誌上題為「Flexible two-dimensional indium tin oxide fabricated using a liquid metal printing technique」的文章，來自皇家墨爾本理工大學的DornaEsrafilzadeh團隊。

在這裡，DornaEsrafilzadeh團隊報導了使用低溫印刷技術以晶圓級規模製造厚度僅為幾個原子的ITO薄板的過程，基於該方法分別使用單次或兩次印刷獲得的單層和雙層ITO。通過將陶瓷材料的厚度減小到只有幾個原子，大大提高了材料的柔韌性，從而使其能夠克服ITO的現有限制之一，即ITO在彎曲時會變脆。已開發的二維ITO片具有高導電性和柔韌性，同時吸收的可見光比單層和雙層石墨烯少5-10倍。

圖1 二維ITO印刷工藝的原理圖和LED演

在該研究中，Dorna Esrafilzadeh團隊工藝使用可用於液態金屬印刷工藝的低熔點銦錫合金，在晶圓級上沉積2D ITO。近年來，液態金屬已被引入作為反應介質，以促進大面積二維氧化物的形成。低熔點的後過渡金屬在空氣中經歷自限性Cabrera-Mott氧化，容易形成納米薄表面氧化物。當金屬處於液態時，表面氧化物對母體金屬的附著力最小，從而允許使用範德華轉移技術將生長的氧化物片轉移到所需的基材上。基於這一原理，將一小滴液態金屬滴到所需的基底上，然後從頂部擠壓第二個基底，從而實現將液滴散布到整個所需區域（如圖1所示）。並且，Dorna Esrafilzadeh團隊研究了許多具有不同錫含量的不同合金成分，並使用四點探針測量法確定了薄層電阻。觀察到沉積膜的薄層電阻首先隨著錫含量的增加而降低，然後在錫濃度超過5％之後又增加了薄層電阻（圖2a）。X射線樣品的X射線光電子能譜（XPS）分析表明，氧化物中的錫濃度比母合金中的錫濃度稍高，對於薄層電阻最低的氧化物，錫的Sn4 +濃度達到7.4％。

圖2 二維ITO納米片的材料表徵

為了評估通過重複印刷降低薄層電阻的可能性，使用最優化的合金成分，在先前沉積的2D ITO薄片的頂部印刷第二層ITO的第二層。這些雙層樣品的薄層電阻降低至5.4kΩ-1，這明顯低於單層的薄層電阻（69.6kΩ-1），同時在可見光譜範圍內保持99.3％的透明度。如所預期的，雙層的組成類似於單層的組成。雙層的薄層電阻可與設計用於顯示器和觸控螢幕的市售TCO相媲美，而光吸收則少10倍以上。

圖3 二維ITO片的形態和晶體表徵

由於液態合金的低熔點，沉積過程與諸PI的耐高溫聚合物相容。Dorna Esrafilzadeh團隊製造了兩端電阻器件，並對其進行了反覆的機械彎曲，使其半徑分別為3、2.5和2.0mm（圖4）。將每個半徑的總共1,000個彎曲循環應用於設備，並對2D ITO板進行總共3,000個機械彎曲循環。令人放心的是，經過3,000次循環後，ITO層的電阻增加了不足3.5％。為了進行比較，對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）樣品上的市售ITO進行了相同的測試。小的曲率半徑和強大的電子性能表明，開發的2D ITO片有望在柔性光電設備中應用，並有望與卷對卷處理兼容。

圖4 印在PI基材上的2D ITO柔性的表徵

使用兩釐米大小的印刷單層ITO片開發了原型透明電容式觸控螢幕，該ITO片沉積在單個玻璃基板的兩側（如圖5所示）。四個金電極以正方形排列沉積在觸控螢幕的正面，而單個電極固定在背面。然後，使用物理粘附到表面的PET薄膜保護設備的整個正面。PET膜既充當保護塗層又充當絕緣體。當手指或金屬針等導電物體靠近設備的正面時，設備的電容會發生變化，從而可以有效地進行觸摸檢測。在此，電容變化的大小取決於觸摸位置與前電極的距離。然後，通過測量觀察到的所有四個電極的電容變化，可以對位置進行三角測量，從而實現具有x–y解析度的觸摸檢測。

圖5 二維ITO在電容式觸控螢幕中的應用

基於液態金屬氧化沉積得到的片材厚度約為1.5 nm，使ITO具有高度的柔韌性，並經過1000次彎曲至2 mm半徑的循環後，導電性損失最小。這一製造方法為光電子設備的未來卷式製造和基於ITO的柔性電子設計提供了希望。此外，重複列印將導致2D ITO雙層，其薄層電阻為5.4kΩ-1，透明度為99.3％，完全可與用於顯示器和觸控螢幕行業的商用TCO基板相媲美，而可見光譜中的光損耗則低了一個數量級。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0353-8

相關焦點

  • 印刷和柔性電子應用的廣泛材料進行了全面研究
    從有機半導體到量子點，從碳納米管到導電粘合劑等創新材料，是實現眾多印刷和柔性電子器件的關鍵基礎。IDTechEx通過對該領域主要廠商的深入分析，剖析了各種材料的商業應用前景及挑戰，並按材料類型和應用提供了詳盡的10年期市場預測。 自2002年以來，IDTechEx一直在研究新興的印刷電子市場。
  • 導電銀漿在柔性印刷電子中的應用
    SMM10月27日訊：在2020中國國際白銀產業鏈高峰論壇暨中國白銀市場應用研討會上，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員周春山帶來了導電銀漿在柔性印刷電子中的應用主題發言。周春山表示印刷電子技術相比傳統技術來說有多個優勢：工藝簡單，工序少；新產品、新應用（傳統技術無法實現）；增材製造（環保、無汙染）；低成本（工藝環節簡單、生產效率高）；柔性化（適用各種基材）和大面積（可卷對卷印刷生產）等。印刷電子技術關鍵點主要是納米新材料 + 材料處理工藝。
  • 柔性電子常用材料是那些柔性電子那應用在那些行業
    無機半導體材料 以ZnO和ZnS為代表的無機半導體材料由於其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領域顯示出了廣闊的應用前景。 比如有一種基於直接將機械能轉換為光學信號的柔性壓力傳感器被開發出來。這種矩陣利用了ZnS:Mn顆粒的力致發光性質。 力致發光的核心是壓電效應引發的光子發射。
  • 【白銀會議】導電銀漿在柔性印刷電子中的應用__上海有色網
    SMM10月27日訊：在2020中國國際白銀產業鏈高峰論壇暨中國白銀市場應用研討會上，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員周春山帶來了導電銀漿在柔性印刷電子中的應用主題發言。還可以應用於多層印刷柔性線路，多層印刷柔性電路技術製備的四層Intel Miniboard電路:（a）CAD設計圖，（b）底層到頂層的電阻測試，（c）和（d）實物展示。
  • 柔性電子崛起 | 一文讀懂柔性透明導電膜!
    柔性電子崛起的產業趨勢已日趨明朗，柔性顯示器、柔性照明、柔性太陽能電池、柔性傳感器等產品已經逐漸從實驗室走向市場。在這產業趨勢之下，具有可撓性、高光穿透度、高導電度的軟性透明導電膜是許多柔性光電產品的基礎。 因此，柔性透明導電膜將會成為柔性光電產品的戰略性材料。
  • 微流控和液態金屬結合 助力柔性電子器件大規模製造
    打開APP 微流控和液態金屬結合 助力柔性電子器件大規模製造 胡薇 發表於 2018-07-27 15:52:02 近日，國家納米科學中心蔣興宇研究員小組結合微流控和液態金屬開發了一種可大規模製造柔性電子器件的方法，通過絲網印刷、噴墨列印、微流道等方法能在各種基底材料上得到高導電、高彈性、高生物相容性的電路。
  • 中科院研製室溫狀態下液態金屬直接印刷電子
    ，電路直接列印在紙上　　紙上「列印」電子電路，得益於室溫狀態下液態金屬直接印刷電子方法的突破。液態金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進了一大步，它的基本觀念在於：「墨水」就是液態金屬，打出來就能成為電路。　　傳統工藝下，電子工程師若需更改電路板，需用化學藥水做處理，經過刻蝕等步驟才能形成自己的設計。而新的液態金屬列印方法，讓漫長的設計過程變得唾手可得。劉靜介紹，他們已經在紙上列印出各種相對簡單的電子電路，測試後導電性、可靠性良好。
  • 「夢之墨」開創液態金屬列印技術，大幅降低電子電路生產門檻
    望著這些「意外產物」，一向思維活躍的劉靜不禁思考液態金屬更多可能性：既然液態金屬能附著在某些物質表上，那麼有沒有可能將其控制，利用液態金屬本身具有的室溫下具有液體流動性、導電性好、沸點高等固有特性，開發更多更有前景的應用？ 於是劉靜與其團隊大膽開拓了液態金屬的列印研究。
  • 透明導電膜也可以是二維的?
    澳大利亞研究人員已經製造出了第一批高度透明，具有觸覺響應性和導電性的超柔性銦錫氧化物（ITO）薄膜。ITO片採用新型液態金屬印刷技術製成，厚度僅為1.5 nm，可以沉積在各種基材上，然後可以像管一樣捲起來。它們可能被用來製造未來的觸控螢幕，並且可以像報紙一樣通過卷對卷（R2R）處理來製造。
  • 柔性電子技術概述與應用
    隨著時代的發展，柔性技術應運而生。柔性電子英文名為Flexible Electronics，是一種技術的通稱。這種電子設備在一定範圍的形變（彎曲、摺疊、扭轉、壓縮或拉伸）條件下仍可工作。柔性電子技術有可能帶來一場電子技術革命，引起全世界的廣泛關注並得到了迅速發展。美國《科學》雜誌將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術等重大發現並列。
  • 顯為人知②:石墨烯柔性顯示器又火了
    自從不久前，土耳其比爾肯大學研究人員將一張普通的列印紙夾在兩層石墨烯膜（由多層石墨烯構成）之間，使其變成了一種柔性電子顯示器之後，柔性顯示器就又火了一把，其實早在之前就已經推出過石墨烯電子紙柔性顯示器了，那麼柔性顯示器到底是怎樣的顯示器呢？
  • 透明導電薄膜研究及應用 | 你想聽的報告都在這裡了
    隨著柔性電子的崛起，柔性顯示器、柔性照明、柔性太陽能電池、柔性傳感器等產品已經逐漸從實驗室走向市場，對於具有可撓性、高透光性、高導電率的柔性透明導電膜的需求越來越多。目前應用最廣泛的透明導電薄膜是ITO薄膜，但是由於ITO是氧化物，具有脆性，且銦是稀有金屬，儲量少，價格昂貴目前研究較多，因此開發可代替ITO的，具有柔性可摺疊性質的透明導電薄膜越來越迫切！
  • 夢之墨革新電子製造技術 全球首創液態金屬印表機
    在應用研究方面，劉靜團隊在世界上原創性提出液態金屬印刷電子學思想，發明了可以直接畫電路等的液態金屬手寫筆和可以實現3D列印的液態金屬印表機；發明的用液態金屬為原料的「骨水泥」可使骨骼重建；發明了利用液態金屬連接徹底斷開的神經，從而使青蛙斷開的神經有了反應，等等。
  • 南開大學在《自然·電子》上發文,在柔性透明電極方面取得突破!
    南開大學化學學院陳永勝教授團隊日前在國際頂級學術期刊《自然·電子》上發表了研究論文，介紹了他們在柔性透明電極與柔性有機太陽能電池領域研究中獲得的突破性進展。在人類利用太陽能的各項技術中，太陽能電池，即利用「光生伏打效應」將光能直接轉換成電能的器件，是當前已獲得廣泛應用，同時也是最具發展前景的技術之一。
  • 柔性屏幕應用前景廣闊,透明導電膜成為理想的電極材料
    若能實現手機屏幕的摺疊彎曲、柔性捲曲的電子終端形態，實現萬物互聯的智能化、智慧化將不再是夢，從多種角度來看，將方便人們的日常使用，以及滿足多樣化的消費需求。目前，根據媒體報導，LG向WIPO（世界知識產權局）申報了三款屏幕專利，並出現在資料庫中，分別是採用Z-Fold設計的摺疊屏手機、內折和外翻設計的手機。
  • 柔性透明導電膜的產業化進展及技術趨勢
    柔性電子崛起的產業趨勢已日趨明朗，柔性顯示器、柔性照明、柔性太陽能電池、柔性傳感器等產品已經逐漸從實驗室走向市場。在這產業趨勢之下，具有可撓性、高光穿透度、高導電度的軟性透明導電膜是許多柔性光電產品的基礎。 因此，柔性透明導電膜將會成為柔性光電產品的戰略性材料。
  • 課堂|液態金屬科技與工業的崛起:進展與機遇
    本文扼要介紹了液態金屬物質科學領域湧現出的若干典型進展、基礎問題與工業應用範例，剖析現象背後的科學規律，具體包括：晶片冷卻與能源利用、印刷電子學與增材製造（3D列印）、生物材料學、柔性智能機器學。在此基礎上，論述了提出「液態金屬谷」的時代背景、發展液態金屬新工業體系的基本途徑，闡述了推進液態金屬材料基因工程研究並構建相應資料庫的重要意義。
  • 戰略研究丨液態金屬科技與工業的崛起
    近期，中國工程院院刊《中國工程科學》刊發《液態金屬科技與工業的崛起：進展與機遇》，介紹了液態金屬物質科學領域湧現出的若干典型進展、基礎問題與工業應用範例，剖析現象背後的科學規律，如晶片冷卻與能源利用、印刷電子學與增材製造（3D列印）、生物材料學、柔性智能機器學。
  • 液態金屬:金屬材料中的新貴,具有重大產業化前景
    鋯基液態金屬是市場上得到實際應用的主要液態金屬之一。鋯基液態金屬未來或將成為手機主流應用材料，需求量或將快速增長。業內人士預測，未來大約2-3年內，消費電子行業有望大規模應用液金屬。鋯基非晶合金不僅蘋果手機的卡針已經使用，華為等國產手機裡面也有些如卡託之類的小件也開始用非晶合金製造。
  • 柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發展潮流
    很多廠商目前都已經開始研發和推出相關的產品，比如彎曲顯示器與觸屏、射頻識別標籤、可穿戴傳感器、可植入醫療器械、手環、手錶甚至是手機等等。不難看出，柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發展潮流，是科技領域中未來若干年內的重要增長點。下面就來了解一下相關內容吧。